根据“天问一号”火星矿物光谱仪短波红外探测组件小型化、轻量化、低功耗的需求，分析了红外探测器匹配性设计、集成式制冷机杜瓦适应性研制的难点。针对短波红外探测器高灵敏度、低温目标及多光谱探测需求的长积分时间模式的集成封装、抗大量级星器分离冲击等特点，提出了高信噪比探测器总体设计、具有噪声隔离和集成式冷平台结构设计、抗径向冲击的斜支撑结构设计等。解决了短波红外集成组件探测器低温下低热应力、长积分时间下干扰隔离、大量级力学加固、航天应用的高可靠性厚膜电路研制等关键技术。成功研制了短波碲镉汞探测器杜瓦制冷组件，并经过高低温循环、随机振动及机械冲击等严苛的空间环境热学力学适应性试验验证，试验前后组件性能未发生明显变化，满足火星矿物光谱仪工程化应用的要求。

火星车的环境感知能力是其进行智能移动和探测的基础，而障碍物检测识别是环境感知中的一个重要方面，识别效果直接决定了火星车工作能力和安全性。本文提出一种基于激光雷达数据的火星表面障碍物自动识别方法。通过获取的激光雷达点云数据，首先在分析激光反射强度理论的基础上，通过强度补偿理论将点云强度根据距离、角度因素进行修正，进而构建激光雷达强度值与目标特征的反射关系。通过大津法自动求取全局阈值，自适应的将火星表面点云分类为障碍物点云和非障碍物点云；然后通过曲率约束剔除不符合条件的障碍物点云；最后利用基于八叉树叶节点的连通性聚类，实现火星表面障碍物点云的识别。模拟实验结果表明，该方法可实现激光雷达点云中的火星表面障碍物有效提取，典型障碍物识别精度接近90%，为基于火星车障碍物检测和环境感知相关研究提供借鉴。

火星表面地形地貌复杂，且覆盖有松软的火星土壤，这使得火星车在巡视探测时面临大沉陷、高滑转，甚至不能通过的风险。因此，火星车通过性分析和路径规划对巡视探测至关重要。本文调研了美国索杰纳号、勇气号、机遇号、好奇号、毅力号和我国祝融号火星车的通过性评估策略与方法，并分析基于多信息融合、深度学习和数据驱动的通过性评估研究新进展。最后，对未来火星车通过性判断发展方向进行了展望。

火星表面地形地貌复杂，为了保证火星车行驶安全，需要对巡视器周边土壤的图像信息进行判别和分类。首先，根据试验场地和图像信息等对图像进行预处理，建立鸟瞰图像。接着，以鸟瞰图像为基础建立图像块并建立数据集，建模集和预测集分别包含315组和135组数据。然后，在划分的数据集基础上建立神经网络模型，并对数据进行训练和分类。最后，根据得到的分类模型对图像进行分类，得到感兴趣区域。分类结果表明：应用ResNet50得到的模型其建模集和预测集的分类准确率分别为75.56%和81.48%。该方法可实现巡视器周边地表类型的分类，并提取图像的感兴趣区域，以便实现更为精准的判别，可用于实现火星车通过性感知、风险预测和路径规划，为未来智能星球车移动系统研制和探测提供理论和技术支持。

由于太阳高度角和地面景物反射率等条件的变化，天问一号火星环绕器光学成像载荷在轨工作期间入瞳辐亮度变化范围很大，为了达到最佳的成像效果，需要光学成像载荷具备在轨自适应调整增益的能力。太阳高度角是设置时间延时积分电荷耦合器件积分级数的重要参数之一，积分级数是调整增益需要调整的主要参数。针对在轨工作期间太阳高度角实时变化、星历表文件较大等问题，本文提出一种基于傅里叶拟合的火星环绕器星下点太阳高度角在轨实时计算方法。首先，基于最小二乘原理采用8阶傅里叶逼近对火星惯性坐标系下太阳矢量的x，y，z坐标进行拟合，获得以时间作为变量的拟合方程。其次，根据制导、导航与控制系统发送的轨道参数获得火星惯性坐标系下环绕器的实时坐标。最后，基于夹角余弦公式即可在轨实时计算星下点太阳高度角。实验结果表明，在协调世界时2021-01-01 00：00：00至2024-01-01 00：00：00期间，采用本文方法获得的星下点太阳高度角实时计算结果最大绝对误差小于0.3°。满足天问一号高分辨率相机时间延时积分电荷耦合器件积分级数设置对太阳高度角计算结果的精度要求。基于该方法，天问一号高分辨率相机获取的火星影像细节丰富，亮度、对比度合理。

火星环绕器绕火飞行，轨道是大椭圆轨道。高分相机是火星环绕器的有效载荷之一，在其轨道上对火拍摄，其成像质量除与自身参数相关外，还与姿轨控制误差有很大关系。为了实现对火星的高分辨率拍摄，本文对姿轨控制误差与相机成像质量的关系进行了研究。首先，分析了火星环绕器姿轨控制对高分相机像移的影响模型；然后，利用平行光管、动态目标模拟器搭建试验验证平台，通过地面测试设备仿真环绕器平台参数。设置动态目标模拟器产生速度随姿轨参数变化的动态目标，为相机提供拍摄目标。相机实时进行像移计算，并拍摄成像。试验结果表明，当测轨精度不大于1 km时，测速精度不大于1 m/s时，能保证相机动态MTF值下降不超过10%。采用高精度的姿轨控制可保证高分相机在轨成像质量的要求。

为了实现天问一号高分辨率相机在大椭圆轨道下对火星表面高质量成像，建立了基于火星的大椭圆轨道像移计算模型。对大椭圆轨道和像移计算方法进行研究。首先，根据大椭圆轨道的特点，分析大椭圆轨道与近圆轨道存在的差别。接着，依据椭圆特性和角动量守恒原理计算高分辨率相机到火星中心的距离、椭圆运动轨道速度、轨道速度与离心速度的夹角。然后，根据齐次坐标变换的方法将火星景点坐标系与高分辨率相机坐标系建立联系，通过对位置关系的求导得出像移速度。最后，通过动态成像试验验证了像移补偿计算方法的正确性和对图像质量的影响。实验结果表明：大椭圆轨道像移补偿计算方法正确；动态传函大于0.1，满足动态传函不小于0.1的指标要求；像移匹配（Modulation transfer function， MTF）最小值为0.953，满足不低于0.95的指标要求。

为获取高信噪比、明暗度适宜的火表图像，对天问一号火星高分相机CMOS探测器曝光参数开展了详细设计，并对卷帘效应畸变进行了量化分析与校正。首先建立了CMOS探测器光电响应模型，对比了曝光参数中曝光时间与PGA增益对成像信噪比的影响，确定曝光时间为优先调节参量。在分析曝光时间约束条件、明确靶面辐照度计算方法后，给出了不同火表反射率、太阳天顶角及轨道高度参数下的曝光时间设计结果与成像信噪比。最后针对CMOS探测器卷帘畸变机理进行分析，给出了校正方法及理论校正精度。仿真实验结果表明：成像信噪比在非轨道像移受限区域保持在48.28 dB左右，在受限区域则逐步降低，反射率取0.1时最低值为32.45 dB，典型辐照环境下成像信噪比为45.56 dB。根据实际轨道像移分析，CMOS探测器卷帘效应会造成数十像素倾斜畸变，在轨道像移测量误差不超过3.46‰前提下，所述方法校正后图像特征点位移量优于1个像素。